Eingebettete Systeme oder auch Embedded Systems sind Systeme, die bei einer Vielzahl von Anwendungsbereichen genutzt werden, darunter Kraftfahrzeuge, Medizintechnik und Unterhaltungselektronik. Sie übernehmen Regel-, Steuerungs- oder Überwachungsfunktionen, ohne dass der Nutzer direkt etwas von ihrer Arbeit mitbekommt. Ein mögliches Problem von eingebetteten Systemen sind Ressourcenbeschränkungen, die sich unter anderem durch begrenzte Prozessorleistung, eingeschränkten Speicher oder eine mangelhafte Energieversorgung äußern können. Wie Softwareentwickler solche Ressourcenbeschränkungen überwinden, ist Gegenstand dieses Artikels.
Code optimieren
Das wohl wichtigste Kriterium für eine erfolgreiche Embedded Software Entwicklung ohne Ressourcenbeschränkungen ist eine Optimierung des Codes. Hier geht es zum einen um die Nutzung von effizienten Algorithmen und zum anderen um die Vermeidung von Redundanzen durch das Entfernen von unnötigen Daten. Generell sollte der Code so effizient und sauber wie möglich gestaltet sein. Automatisierungstools und Reviews helfen dabei.
Energieeffizienz sicherstellen
Eingebettete Systeme funktionieren nur dann gemäß unseren Vorstellungen, wenn sie energieeffizient sind und ihre Aufgaben zuverlässig erfüllen können. Um eine gute Energieeffizienz sicherzustellen, sollten wir erst einmal den Energieverbrauch analysieren und anschließend Bereiche ausmachen, die einer Optimierung bedürfen. Wurden diese Bereiche ausgemacht, geht es an die eigentliche Optimierung durch die Implementierung von Energiespartechniken. Eine bewährte Methode ist die Nutzung von Hardwarebeschleunigern zur Senkung des Energieverbrauchs.
Daten komprimieren
Damit der Bandbreitenbedarf so gering wie möglich ausfällt, sollten sämtliche Daten in Embedded Softwares komprimiert werden. Die Datenkomprimierung ist ganz einfach durch den Einsatz geeigneter Kompressionsalgorithmen möglich. Zu ihr gehört auch die sogenannte Paketbündelung, bei der mehrere kleine Nachrichten in einem Paket zusammengefasst werden, um dadurch den Overhead zu reduzieren und die Übertragungseffizienz zu verbessern.
Modulare Systemarchitektur verwenden
Die Systemarchitektur sollte möglichst flexibel sein, weswegen sich die Entwicklung eines modularen Systems anbietet. Ein modulares System hat den Vorteil, dass die einzelnen Komponenten unabhängig voneinander getestet und gewartet werden können. Das wiederum wirkt sich positiv auf die Skalierbarkeit aus. Gerade in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen ist das ein entscheidender Vorteil, da eine schrittweise Anpassung an wachsende Anforderungen möglich ist. Zu einer funktionierenden Systemarchitektur gehören auch effiziente Schnittstellen zwischen den Modulen. Effizient heißt in diesem Fall, dass die Schnittstellen minimalen Overhead verursachen und zuverlässig sind.
Speicher effizient verwalten
Eine effiziente Verwaltung des Speichers äußert sich in erster Linie durch eine Verbesserung der Speichereffizienz durch die Nutzung geeigneter Datenstrukturen wie etwa Arrays statt Listen. Sinnvoll ist auch das Vermeiden von statischer Speicherzuweisung. Dynamische Speicherverwaltung ist um einiges flexibler. Wichtig ist nur, sie sorgfältig zu handhaben, um einer möglichen Fragmentierung vorzubeugen.
Spezialisierte Hardware nutzen
Durch den Einsatz von spezialisierter Hardware für bestimmte Aufgaben wie der Signalverarbeitung kann die Effizienz eingebetteter Systeme erheblich gesteigert werden. Zudem bietet sich die Nutzung von Mehrkernprozessoren oder vergleichbaren parallelen Verarbeitungsmöglichkeiten an, um die Last von rechenintensiven Prozessen wie Echtzeitsteuerung, Signalverarbeitung oder Verschlüsselung optimal zu verteilen.
Überprüfungen mit Simulationstools durchführen
Nur weil es keine Probleme mit Ressourcenbeschränkungen gibt, heißt das nicht, dass sie bei künftigen Aktualisierungen oder Erweiterungen nicht entstehen. Daher ist es unabdingbar, ein regelmäßiges Profiling und Überprüfungen mit Simulationstools durchzuführen. Durch solche Vorsichtsmaßnahmen wird sichergestellt, dass die eingebetteten Systeme vor ihrem Einsatz die bestmögliche Performance erbringen.
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